1.微型燃气轮机在分布式供电和热电联供中的应用

（1）北京次渠燃气城市接收站综合楼联供工程 该工程的外观见图6-15。系统的用电负荷为320kW，供热、供冷的面积为2800m²，采用一台80kW微型燃气轮机和一台BZ20余热直燃机。发电机和直燃机的主要参数见表6-11。

图6-15 北京次渠微型燃气轮机热电联供工程外观

表6-11 发电机和直燃机的主要参数

1）运行策略并网但不上网。系统以天然气为燃料驱动微型燃气轮机，做功完毕的余热以烟气形式排出，分别以预热燃烧用空气及余热直燃机吸收利用的方式进行回收。通过余热直燃机产生的冷、温水直接进入空调系统中。当余热利用不能满足建筑物冷热负荷的需要时，余热直燃机将以天然气为燃料进行补燃。若余热直燃机制热（冷）量仍不能满足建筑物热（冷）负荷的需求，另一台直燃机将以天然气为燃料供热（冷）。余热烟气热量大于建筑物冷热负荷的需要时，烟气可通过旁通烟道排至室外。图6-16示出工艺流程图。

图6-16 工艺流程图

2）存在的问题

① 设计电负荷为320kW，发电机容量是80kW，现在实际电负荷不足30kW。

② 微型燃气轮机属于并网型机组，只能依托市网发电，不能脱离市电独立运行。

③ 控制系统都很初级，基本上只有监视功能，远不能实现冷-热-电联供的要求。

④ 没有解决并网问题。

（2）上海交通大学软件学院大楼示范工程 该项目以上海紫竹科技园区上海交通大学闵行校区软件大楼为对象进行示范工程设计。主要内容包括：

1）建成一套天然气微型燃气轮机冷-热-电联供示范系统，为软件大楼提供冷（或热）、热水和电力。供电量60kW，供热量200kW，制冷量230kW，提供生活热水量31kW。

2）天然气微型燃气轮机发电系统输出电能60kW，电压400V，既可以并网发电也可以独立使用。

3）烟气补燃型溴化锂吸收式冷热水机组，提供热能200kW，制冷量230kW。

4）烟气型热水发生系统，提供生活热水量31kW。

5）低温吸附式制冷机组，提供10kW制冷量。

该项目以软件大楼为设计对象，建成一套以天然气为一次能源，微型燃气轮机为原动力的冷热电联供示范工程。其发电量60kW，供热量200kW，制冷量230kW，能满足4000m²综合楼空调系统的冷热供给和部分电力需求，能量利用系数达到0.8以上。示范工程总体性能良好、高效、环保。

其主要组成如下：

1）两台30kW的微型燃气轮机发电机组，提供60kW电力。

2）一台烟气补燃型溴化锂冷热水机组，提供837MJ制冷量（233kW）或712MJ（200kW）热量。

3）一台烟气热水器，提供8m³/h（70～95℃）的生活热水。

4）一台吸附式制冷机（低温热源制冷机），可供冷10kW。

图6-17示出分布式冷-热-电联供系统机房。图6-18示出分布式冷-热-电联供系统结构。

微型燃气轮机发电机组的天然气供给压力为0.36～0.39MPa，溴化锂冷热水机组天然气供给压力为3.0kPa。系统向4000m²的专家楼提供冷量或热量，同时提供60kW的电力（可以独立使用，也可以并网使用），整个系统运行时污染物排放NO_x低于4μL/L，噪声低于65dB（距系统机房10m内），能量梯度利用后的总能量利用系数为82％（供热）和84.2％（制冷）。

图6-17 分布式冷-热-电联供系统机房

（3）冷热电联供系统设计综述

1）该项目实现了“以热定电”的设计概念，建成一套冷-热-电联供系统示范工程，能量利用系数达到0.8，投资回收周期约10年。

2）冷-热-电联供系统采用以微型燃气轮机为核心的联供系统。主要由微型燃气轮机发电；烟气补燃型溴化锂吸收式冷热机组提供空调冷热源；烟气热水发生器或低温吸附式制冷机进行烟气再次利用。

该项目采用美国Capstone公司生产的两台带回热器的C30型微型燃气轮机，提供60kW的电功率和275℃的烟气。

3）烟气补燃型溴化锂吸收式冷热机组，是在双效直燃溴化锂吸收式冷热机组的基础上进行改进，对热源的要求不高，可以充分利用微型燃气轮机较高温度的烟气作为热源进行制冷或供热，实现对较低品位能源的利用。同时，在冷、热负荷较大的时候，还可以通过补燃的方式，来满足用户对冷、热量的需求。溴化锂吸收式冷热水机在机组中同时装有高压发生器和低压发生器，在高压发生器中所产生的高温冷剂水蒸气用于加热低压发生器，使低压发生器中的溴化锂溶液产生温度更低的冷剂水蒸气，这样不仅有效地利用了冷剂水蒸气的潜能，而且可以减少冷凝器的热负荷，提高机组的经济性能。

图6-18 分布式冷-热-电联供系统结构

B—燃烧室 C—压缩机 G—发电机 T—涡轮机(www.daowen.com)

4）吸附式制冷机是以换热器中产生的热水（60～80℃）为动力的能量转换系统。吸附剂（硅胶）对制冷剂气体（水蒸气）具有吸附作用，吸附能力随吸附温度的不同而不同。吸附式制冷机有效地利用低品位的余热进行制冷，提高了能源的综合利用。

烟气换热器提供31kW的热水（60～80℃），既可以作为吸附式制冷机的驱动热源，也可以为用户提供生活热水。

5）在设计工况下，系统要求达到的指标：

发电功率 60kW（额定工况）

发电效率 24％～29％（额定工况）

能量利用系数 0.8～0.9

NO_x排放值 ＜9×10^－6（稳定工况）

噪声（10m处） ＜65dB（A）

6）由城市中压管网引来的天然气（0.36～0.4MPa）经稳压后，进入燃气轮机燃烧、做功发电，燃气轮机发出的电力由数字电力控制器与本地电网并网，向外输电；从燃气轮机排出的高温烟气（约275℃）进入溴化锂吸收式冷热机组制冷或制热，为软件大楼提供冷/热源；从溴化锂吸收式冷热机组排出的烟气（约180℃），进入烟气热水发生器产生60～80℃的热水，用于驱动吸附式制冷机进行制冷或直接提供生活热水，排出的烟气（90～100℃）经烟囱排入大气。

7）电气和并网发电系统。微型燃气轮机发出的电力通过并网控制器连到外部电网时，根据具体情况，可以有三种工作模式：

① 独立发电模式。把并网控制器处于独立发电模式时，微型燃气轮机的负荷和外部电网断开。起动时微型燃气轮机靠蓄电池起动，发电可以根据具体负荷的大小自动调节发电量，不受外部干扰，比较适合无外部电网或外部电网质量不好的情况。

② 并网发电模式。并网控制器处于并网发电模式时，微型燃气轮机的负荷始终和电网连接，微型燃气轮机起动时依靠外部电网的电力先起动机组，待到发电时再往外输送，发电频率、相位自动跟随外部电网，不会对电网造成冲击，并且发电量可以自行设定，但如果外部总负荷很小，微型燃气轮机的发电量自动降低，这时负荷同时由微型燃气轮机和外部电网供电。

③ 双模发电模式。并网控制器处于双模发电模式，并且使微型燃气轮机始终处于待机状态，这时微型燃气轮机是作为典型的备用电力机组运行。当电网正常供电时，微型燃气轮机会从电网给蓄电池充电，并网控制器转到电网电力供给负荷，一旦并网控制器探测到电网电力消失或者电网电力电压、频率波动很大，很不稳定时，会自动把负荷从外部电网断开，同时自动起动微型燃气轮机，待微型燃气轮机开始发电时，自动转换到由微型燃气轮机发电机组单独给负荷供电状态。同样，当探测到电网恢复正常时，并网控制器会把负荷重新转到外部电网上，由电网供电，同时停止微型燃气轮机运转，使微型燃气轮机转入待机状态。

（4）系统试验与性能指标 天然气冷-热-电联供系统经过设计研究、设备安装、系统调试和试运行后，进行了系统试验和性能测试。分别进行了微型燃气轮机性能试验、溴化锂吸收式冷热水机组性能试验、烟气换热器性能试验、吸附式制冷机性能试验，以及系统总体性能试验等，测试结果表明系统整体性能优良。在额定工况下，发电60kW，供热200kW或制冷230kW，提供热水31kW，为机房提供冷量10kW，总体能量利用系数超过0.8，噪声小于65dB（A）（10m处），污染物NO_x排放量小于9×10^－6，达到了高效、环保的要求。

在试验过程中，系统的效率随着溴化锂吸收式冷热机组补燃器的点火/熄火而波动。根据运行数据的统计计算结果，总能系统供热运行时，系统运行效率为80.92％，其中微型燃气轮机发电效率为23.61％。排放指标在稳定运行时小于9×10^－6，当工况变化较大时，排放指标瞬时超标，但也小于25×10^－6。噪声指标：81dB（A）（1m处），60dB（A）（10m处）。

（5）经济性分析 在24h内，微型燃气轮机消耗天然气565.34m³；溴化锂吸收式冷热机组消耗天然气100.85m³；发电量为1332kW·h（4795.76MJ）；溴化锂吸收式冷热机组提供热量3363kW·h（12108MJ）或制冷4014kW·h（15529MJ）；换热器供应热水689.4kW·h（2482MJ）。

以平均电价0.85元/（kW·h），冷、热量价0.2元/（kW·h），天然气价1.8元/m³进行计算，发电收益：1332×0.9×0.85元/天＝0.102万元/天（扣除工厂用电10％），供冷、热量收益（将热水与制冷同样看待）（3363＋689.4）×0.2元/天＝0.081万元/天，天然气消费支出（565.34＋100.85）×1.8元/天＝0.12万元/天，日收益（0.102＋0.081－0.12）万元/天＝0.063万元/天，年收益0.063×200万元/年＝12.6万元/年（考虑上海的气候，以及用户负荷需求的特点，按每年200天计算）。以该系统示范工程规模为例，直接成本费用（不包括研制性投入）约150万元，投资成本回收期：（150÷12.6）年＝11.9年。如系统规模增大，投资成本回收期相对缩短。

2.微型燃气轮机在混合动力汽车中的应用

为了迎接2008年北京奥运会，北京嘉捷博大电动车有限公司、常州客车厂与美国Capstone公司合作，研制成功多款城市公交汽车和首都机场混合动力摆渡车。

（1）机场混合动力摆渡车 新型机场混合动力摆渡车（嘉捷HEV）用于机场内接送旅客。整车的主要性能参数见表6-12。该车已达到了国际领先水平。该车采用Capstone 330型微型燃气轮机发电机组作为动力，使用柴油燃料，机组产生1600Hz的高频交流电，经过变换后为全车电力系统供电。动力系统的体积小、噪声低、运行平稳，废气排放指标优于欧Ⅴ标准，见表6-13。

表6-12 混合动力摆渡车主要参数

该车包括电池管理系统、能量管理系统、全车控制系统等多个智能管理单元，它们通过内部通信网络高速交换数据，确保车辆各相关系统安全、可靠地运行。该车安装了两台西门子大功率电动机，分别驱动两侧车轮。通过电动机控制系统可调整电动机输出转矩，令机场摆渡车在30s内可加速到时速40km/h以上。

表6-13 嘉捷HEV与欧洲三种汽车废气排放比较 ［单位：g/（kW·h）］

（2）混合动力电动大客车 在2001年11月举行的北京国际公用车辆设备展览会，以及2005年5月举行的第4届北京高新技术产业周上，北京经济技术开发区的北京嘉捷博大电动车有限公司和常州客车厂，共同展示了我国第一辆以微型燃气轮机为动力机的混合动力电动大客车。该车长11.5m，宽2.48m，高3.6m，乘员48座，排放指标优于欧Ⅴ标准，是当前理想的城市环保型公交车和旅游车。

1）混合动力电动汽车的研发思路和过程。在2000年7月，由北京嘉捷博大电动车有限公司策划，专门组织了关于电动实用车的专家论证。经过专家论证和调查研究，确定以混合动力电动车为研发目标。主要技术方案采用高速微型燃气轮机发电机为发电系统，用镍氢电池组成电池系统，采用串联动力系统和交流电动机作为驱动电动机，开展混合动力电动车的研制工作。为了保证混合动力电动车项目的实施，公司组织了精干的研发队伍，并迅速建立了电动车工程实验室，进行混合动力电动车的试验和调试。其中包括整车调试实验室、涡轮机实验室及动力测功实验台架等。最后在常州客车厂组装完成，试运行成功。

2）混合动力电动车的基本工作原理。混合动力电动车系统原理结构如图6-19所示。在汽车起步时，由蓄电池向电动机提供能量驱动汽车；当汽车达到一定转速时，蓄电池通过电能变换单元和永磁中频发电机（电动机状态）起动微型燃气轮机，并控制微型燃气轮机处于最佳的经济性能和排放性能状态。微型燃气轮机驱动永磁中频电动机（发电机状态）工作时的电能，一部分用于克服道路阻力，另一部分用于对蓄电池充电。当车辆加速或爬坡时，为了确保车辆具有足够的牵引力，除了微型燃气轮机发电机组输出电能外，蓄电池组也要补充供给驱动车轮的电动机一部分电能。在车轮减速时，微型燃气轮机发电机组输出电能主要通过控制装置向蓄电池充电。在车轮制动时，如果满足使用制动能量回收系统的要求，驱动车轮的电动机转变为发电机，把汽车的制动机械能转变为电能向蓄电池充电。在市区行驶时，一般由蓄电池单独驱动电动机工作，以实现汽车运行零排放。

图6-19 混合动力电动车系统原理结构

混合动力电动车采用串联式复合动力机构，将燃料产生的热能通过涡轮机转化为机械能，再通过发电机转化成电能。涡轮发电机组输出三相交流电，经过整流变换为直流电，与动力电池一起为变频器供电。变频器再将直流电逆变成电动机所需的三相交流电，驱动电动机运行。并联的两个电动机通过变速器、传动轴、后桥，最后驱动车轮。

3）混合动力电动车主要系统的特点：

① 串联混合动力系统。燃气涡轮发电机与动力电池串联成复合动力，两者优势互补。涡轮机可在高热效率和低排放区工作，涡轮发电机的功率选择可不考虑加速及爬坡工况，因此其功率可以比传统汽车小很多。当加速和爬坡时，动力电池可补充其功率的不足；当平路行驶时，涡轮发电机的多余发电量可以对动力电池充电。这样合理的动力配置既提高了经济性，又降低了排放污染。

② 性能优良的能量管理系统（EMS）。整车的能量分配和功率控制是混合动力电动车的核心。由于混合动力电动车有燃气发电机和动力电池两个能源，所以如何协调它们之间的工作，是提高整车效率、降低整车油耗及提高整车动力性的关键。该混合动力电动车的EMS就是根据汽车行驶要求，控制微型燃气轮机发电机、电池组与变频器等系统协调工作，以保证在高效率下的低排放。

③ 高精度的电池管理系统（BMS）。在此混合动力电动车中，动力电池起到功率调峰的作用。汽车起动、加速、爬坡时，电池组提供额外的能量；在汽车制动及下坡时，电池组则吸收反馈能量。这样尽可能地保证整个系统的效率，并降低排放。BMS监控电池组的电压、电流、温度等充放电参数。当电池出现问题时，相应采取通风、均衡、降低充放电电流、停机、外部补充电等必要的措施，以保护电池，提高电池的寿命。它的另一个重要功能是检测电池组容量（SOC），通过数据总线传输给EMS，作为整车控制的基点，并达到获得高的输出电压精度、电流精度，高的温度测量精度，以及有效地监控电池运行温度的目的，确保动力电池安全运行。

④ 大功率适量控制变频器。在能量管理系统的协调下，控制电动机的精确调速，从而使驾驶员驾驶无级变速大客车时得心应手。

⑤ 操纵控制系统。该混合动力电动车的操纵控制系统可方便快捷地通过人机界面，接受驾驶员指令，并自动完成整车的监控、诊断和保护，确保运行安全，驾驶方便、轻松。